CN104297210A - 一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个椎腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个椎腰放大结构(4)、出射光纤(5)、核聚糖薄膜(6)组成；两个椎腰放大结构用同样的参数制作，第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)通过连接光纤(3)相连，第一个椎腰放大结构(2)另一端与入射光纤(1)相连接，第二个椎腰放大结构(4)的另一端与出射光纤(5)相连接。由入射光纤(1)，第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)，出射光纤(5)组成的线型结构。在第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)表面镀了核聚糖薄膜(6)。本发明灵敏度高、制作简单、抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)广泛应用于光纤传感系统中。初期，光纤的主要作用是传输。当一束光经耦合器分成两束，分别沿着两根光纤进行传播时，其中一根作为参考光路，另一根作为调制光路。两束光将在下一个耦合器重新汇合，发生干涉。当调制光路受到外界影响时，在调制光路中传播的光的光程会发生改变，从而两路光的光程差会发生变化，干涉条纹也相应的有所改变。通过干涉条纹变化和环境变化的对应关系，就可以在测量中，通过干涉条纹的变化推出环境参量的变化。随着光纤传感技术的不断发展，马赫-曾德干涉仪用于光纤传感器的方式也发生着改变。光纤的作用也从仅仅传输功能演变到兼有传输和传感的功能。在对光纤进行一些加工后形成的拉椎、椎腰放大、错位、花生等结构可以作为耦合器将沿着光纤纤芯传播的光耦合一部分进入包层，并在下一个类似的光纤耦合器将光重新耦合回纤芯，实现沿着纤芯和沿着包层分别传播的两部分光发生干涉。这就是马赫-曾德干涉仪的原理。当外界环境对纤芯包层的影响不同时，沿着纤芯传播的光和沿着包层传播的光会由于纤芯包层对外界环境反应的差异产生干涉的变化，在光纤传感的应用上反应在光谱图的变化上。在分析出光谱变化和外界环境变化之间的关系后，就可以通过对光谱变化的监测实现对外界环境的监测，实现传感器的作用。
湿度测量的一个主要原理是在传感器表面结合一层水分子亲和力型的湿敏材料，再通过吸收水分影响传感器本身的一部分属性，如折射率，从而对传感器的感湿特征量进行影响。再通过对结果感湿特征量的变化和湿度变化两者关系进行分析，得出一定关系，这样在今后的传感器的使用中，通过对感湿特征量的监测就可以得出湿度的变化值。在湿度膜中，核聚糖是其中一种，它以其方便控制膜的厚度的优点被用于湿度传感器上。它的原理是在湿度环境下，核聚糖会由于吸湿发生膨胀，改变自身的折射率。在使用核聚糖时，一般是用醋酸对核聚糖进行溶解，并由于质子化作用带上正电。在对光纤传感器进行镀膜时，需要先用浓酸配好的液体对传感器进行浸蘸，使得光纤表面带上负电，这样就能用静电自组装的方法在光纤表面镀上核聚糖的湿敏膜。在湿度环境下，核聚糖不仅由于吸湿的膨胀拉伸作用改变传感器的长度，也由于自身折射率的改变引起光纤包层有效折射率的变化。传感器长度的变化和纤芯包层有效折射率差的变化都会光程差发生变化，从而引起马赫-曾德传感器干涉光谱的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器。该装置能够将待测湿度的变化量转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个椎腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个椎腰放大结构(4)、出射光纤(5)、核聚糖薄膜(6)组成；两个椎腰放大结构用同样的参数制作，第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)通过连接光纤(3)相连，第一个椎腰放大结构(2)另一端与入射光纤(1)相连接，第二个椎腰放大结构(4)的另一端与出射光纤(5)相连接。由入射光纤(1)，第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)，出射光纤(5)组成的线型结构。在第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)表面镀了核聚糖薄膜(6)。
所述的一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为20～50mm。
所述的一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，长度为220～280μm。
本发明的工作原理是：入射光由第一个椎腰放大结构(2)分成两部分光，一部分沿着纤芯传播，一部分沿着包层传播，经第二个椎腰放大结构(4)沿着纤芯传输的光和沿着包层传输的光发生干涉。外界湿度变化时，由于核聚糖受湿度影响发生拉伸，且改变了包层的有效折射率，导致纤芯和包层的有效折射率差发生变化，从而引起相位差，使得光谱的波长发生漂移。监测干涉光谱的漂移即可还原湿度变化情况。
附图说明
图1是本发明的基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器示意图；
图2是本发明的不同湿度情况下传感光纤的干涉光谱变化实验图；
图3是本发明的湿度灵敏度线型拟合图；
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个椎腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个椎腰放大结构(4)、出射光纤(5)、核聚糖薄膜(6)组成；两个椎腰放大结构用同样的参数制作，第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)通过连接光纤(3)相连，第一个椎腰放大结构(2)另一端与入射光纤(1)相连接，第二个椎腰放大结构(4)的另一端与出射光纤(5)相连接。由入射光纤(1)，第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)，出射光纤(5)组成的线型结构。在第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)表面镀了核聚糖薄膜(6)。
入射光纤(1)，第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)，出射光纤(5)均采用普通G.652单模光纤，其中入射光纤(1)与出射光纤(5)均采用普通G.652单模光纤，长度均为30cm；连接两个椎腰放大结构的连接光纤(3)长度约为40mm.第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)所构成的线型结构是传感头部分，用于探测外界湿度的大小。实验时，将传感器放入室温条件下的湿度箱，图(2)是不同湿度作用在传感头上时的干涉光谱变化实验图，可见，当作用在传感头上的湿度从5％RH变到95％RH时，对应光谱图的波长由1859nm变到1869nm。图3是本发明的湿度灵敏度线型拟合图，在传感头上的湿度从5％RH变到95％RH时，该传感器的灵敏度为0.1158nm/RH。
Claims (3)
1.一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个椎腰放大结构(2)、连接光纤(3)、第二个椎腰放大结构(4)、出射光纤(5)、核聚糖薄膜(6)组成；两个椎腰放大结构用同样的参数制作，第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)通过连接光纤(3)相连，第一个椎腰放大结构(2)另一端与入射光纤(1)相连接，第二个椎腰放大结构(4)的另一端与出射光纤(5)相连接。由入射光纤(1)，第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)，出射光纤(5)组成的线型结构。在第一个椎腰放大结构(2)，连接光纤(3)，第二个椎腰放大结构(4)表面镀了核聚糖薄膜(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(5)和连接光纤(3)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(5)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为20～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于核聚糖涂层的马赫-曾德湿度传感器，其特征在于：第一个椎腰放大结构(2)和第二个椎腰放大结构(4)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，长度为220～280μm。
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